[发明专利]金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置及方法

说明书

本发明涉及一种金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置及方法，该装置包括试样，试样上下两端分别由上夹体和下夹体夹持，上夹体与上方的装有力传感器的作动器连接，力传感器测得的动态载荷信号由信号采集器收集后传入作动器控制器，下夹体与下方的立柱连接，立柱支撑在基座上，试样位于箱体内，箱体外设有电化学工作站和进出液机构、内设有参比电极和辅助电极，进出液机构能向箱体充入和排出电解冲氢介质，电化学工作站分别为试样工作部分、参比电极和辅助电极供电。本发明能更真实的反映材料在动态载荷下的氢脆性能，建立了涵盖等应力幅动态载荷、冲氢电流、材料疲劳寿命在内的三维评价体系。

技术领域

本发明属于金属材料性能试验领域，具体涉及一种金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置及方法。

背景技术

随着近年高强钢的开发与推广，其氢脆现象导致的开裂问题受到了全球高度关注，氢脆现象是材料-环境-应力相互作用而发生的一种环境脆化，是氢致材质恶化的一种形态，氢脆现象产生的延迟断裂是妨碍机械制造用钢高强度化的一个主要因素，其中，高强度螺栓钢的延迟断裂便是一个十分典型的事例，如，20世纪80年代初期，美国通用汽车公司由于安装在轿车底部控制架上的两个12.9级螺栓发生了延迟断裂，前后发生了27次交通事故，最终在640万辆轿车上更换了这两种螺栓。汽车工业的迅猛发展和汽车轻量化的持续推进加速了超高强度汽车用钢的研发和应用，汽车用钢的强度不断提高。然而，随着钢的强度不断提高，其氢脆敏感性也随之增大。因此，能有效评定材料的氢脆性能的方法越来越受到各国关注。

《高强度钢耐延迟断裂性能的评价方法》指出由于实用目的不同，不同的研究者提出了各种各样的加速型试验方法，这些方法大体上可分为以下几类：1)恒载荷和恒应变(拉伸、弯曲)试验，得到延迟断裂临界应力(门槛值或一定时间下的断裂应力)或断裂时间；2)低应变速率(拉伸)试验(SSRT)，得到断裂应力和塑性参量；3)断裂力学试验，用预制疲劳裂纹的试样得到临界应力场强度因子(K th或K ISCC)及裂纹扩展速率(da/dt)等断裂力学参量；4)发生断裂的临界氢含量等。从应力加载方式来看，可分为恒应变(恒位移)、恒载荷和慢应变速率试验三种，受力方式以弯曲应力和拉伸应力为主。

现有的试验方法均为静态、准静态氢脆试验方法，然而有不少的高强钢工件是在动态载荷下使用，如图1所示，以工程机械用钢为例，不论吊臂、撑杆、转轴，还是大梁等众多结构件，在机械做功过程中，其颠簸会受到垂直于地面的动态载荷，而做功过程力的传导引起的反作用力动态载荷。在冲撞过程中还受到较复杂的复合载荷作用，高强桥梁用钢、高强汽车用钢、高强特殊用钢等都有类似情况，均都在动态载荷工况中使用，不仅如此，很多高强钢均在多雨、潮湿、海边等富氢环境中使用，这就使得这些高强钢同时承受动态载荷与氢危害。然而，现有的试验方法仅仅考虑到静载荷及准静态载荷的情况，与事实状况不符。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置及方法，本发明能更真实的反映材料在动态载荷下的氢脆性能，建立了涵盖等应力幅动态载荷、冲氢电流、材料疲劳寿命在内的三维评价体系，试验安全。

本发明所采用的技术方案是：

一种金属材料等应力幅动态氢脆性能试验装置，包括棒状或板状的试样，试样工作部分位于中部、平行且窄于两端、与两端圆弧过渡，试样上下两端分别由上夹体和下夹体夹持，上夹体和下夹体均通过绝缘材料层与试样隔离，上夹体与上方的装有力传感器的作动器连接，力传感器测得的动态载荷信号由信号采集器收集后传入作动器控制器，下夹体与下方的立柱连接，立柱支撑在基座上，试样位于箱体内，上夹体不接触的伸出箱体，下夹体密封的伸出箱体且与箱体固定，箱体外设有电化学工作站和进出液机构、内设有参比电极和辅助电极，进出液机构能向箱体充入和排出电解冲氢介质，电化学工作站由电源供电且分别为试样工作部分、参比电极和辅助电极供电。

进一步地，进出液机构包括水泵，水泵通过进水管与水箱上部连接、通过出水管与水箱底部连接、通过外水管外接，进水管、出水管和外水管上均有阀门。